Завихрения на кольцевой части крыла

Образование завихрений. Создавая подъёмную силу, аэродинамическая поверхность вызывает также индуктивное сопротивление. Когда крыло движется с положительным УА, возникает перепад давлений между его верхней и нижней поверхностями. Давление над крылом меньше, чем атмосферное, а под крылом — равно или превышает атмосферное. Поскольку воздух перемещается из области высокого давления в область низкого, а путь наименьшего сопротивления пролегает через концевую часть крыла, воздух движется вдоль размаха крыла с нижней его поверхности в сторону от фюзеляжа и вокруг торцов крыльев. Возле концевых частей крыльев воздушный поток «рассеивается», создавая воздушные воронки, называемые завихрениями (рис. 4-10).

В то же время, воздух на верхней поверхности крыла движется по направлению к фюзеляжу, в сторону от задней кромки крыла. Этот воздушный поток образует аналогичные завихрения на внутренней части задней кромки аэродинамической поверхности, но их интенсивность незначительна, поскольку движение потока ограничивается фюзеляжем. Таким образом, отклонения в движении воздушного потока максимальны у внешних торцов крыльев, где свободный боковой поток имеет наибольшую интенсивность.

Изгибаясь вокруг концевой части крыла, воздушный поток сливается со спутной струёй и формирует концевой вихрь, вращающийся с высокой скоростью. Эти завихрения увеличивают лобовое сопротивление, поскольку на создание турбулентности расходуется определённая часть энергии. При создании аэродинамической поверхностью подъёмной силы неизбежно возникает индуктивное сопротивление и создаются концевые вихри крыла.

С ростом УА увеличиваются как подъёмная сила, так и индуктивное сопротивление. Это происходит потому, что при увеличении УА растёт перепад давлений между верхней и нижней поверхностями крыла и увеличивается боковой сдвиг воздушного потока; следовательно, при этом возникают более интенсивные завихрения, усиливается турбулентность и растёт индуктивное сопротивление.

На рис. 4-10 изображён процесс образования концевых вихрей крыла. Интенсивность завихрений прямо пропорциональна весу летательного аппарата и обратно пропорциональна размаху крыльев и его воздушной скорости. Это означает, что чем тяжелее и медленнее ЛА, тем больше УА и тем сильнее концевые вихри крыла. Кроме того, концевые вихри максимальной интенсивности образуются во время взлёта, набора высоты и приземления ЛА. В полёте эти завихрения представляют реальную опасность, создавая турбулентность.

Как избежать турбулентности спутного следа. Согласно авиационной поговорке, концевые вихри крыла имеют наибольшую интенсивность, когда ЛА «тяжёлый, гладкий и медленный». Такие состояния обычно имеют место при взлёте и посадке, поскольку в этих случаях УА летательного аппарата максимален. Чтобы минимизировать вероятность пролёта сквозь турбулентность спутного следа другого самолёта:

-избегайте пересечения траектории полёта другого самолёта;

-при взлёте позади другого самолёта поворачивайте в более ранней точке, чем он;

избегайте следования за другим самолётом по схожей траектории в эшелоне шириной менее 300 м (рис. 4-11).

-при посадке позади другого самолёта приближайтесь к взлётно-посадочной дорожке по более высо­кой траектории, чем у первого самолёта, и касайтесь земли впереди точки, в которой коснулось земли шасси первого самолёта (рис. 4-12).

Зависший вертолёт создаёт снос потока со своего основного несущего винта (винтов), сходный с завихрениями на крыльях самолёта. Чтобы избежать воздействия создаваемого зависшим вертолётом сноса воздушного потока, пилоты небольших самолётов не должны приближаться к нему на расстояние, меньшее трёх диаметров несущего винта. В прямолинейном полёте энергия этого сноса потока преобразуется в пару мощных и высокоскоростных концевых вихрей, схожих с концевыми вихрями крыла большого самолёта. Пилоты вертолётов должны избегать возникновения завихрений, поскольку в горизонтальном полёте вертолёт часто двигается с достаточно малой воздушной скоростью и в силу этого может создавать чрезвычайно интенсивную турбулентность спутного следа.

При оценке конфигурации турбулентности спутного следа ветер является очень важным фактором, потому что концевые вихри дрейфуют вместе с ветром и с его скоростью. Например, при скорости ветра 20 км/ч концевые вихри перемещаются со скоростью примерно 300 м/мин в направлении ветра. При следовании позади другого ЛА во время выбора точки взлёта или посадки пилот должен учитывать скорость и направление ветра. В случае, если определение точки взлета или посадки другого ЛА невозможно, следует выждать не менее трёх минут. Этого времени достаточно для того, чтобы турбулентность спутного следа рассеялась.

Эффект влияния земли. В непосредственной близости от земли (или воды) летательный аппарат может двигаться с несколько меньшей воздушной скоростью, чем на значительной высоте. Это является результатом явления, о котором знают многие опытные пилоты, хотя далеко не все понимают его физический смысл.

Когда летательный аппарат приближается к поверхности земли (или воды) на расстояние нескольких метров, трёхмерная картина воздушного потока вокруг него меняется, поскольку вертикальная состав­ляющая потока начинает ограничиваться земной поверхностью. Это влияет на сносы потока вверх и вниз, а также на концевые вихри крыльев (рис. 4-13).

Эффект влияния земли, таким образом, представляет собой воздействие поверхности земли (или воды) на воздушный поток, огибающий летательный аппарат в полёте. Хотя вблизи земли меняются аэродинамические характеристики поверхности всех аэродинамических поверхностей ЛА, в основе эффекта влияния земли лежит, прежде всего, изменение характеристик крыла. По мере приближения к земле (при неизменном коэффициенте подъёмной силы) происходит постепенное снижение интенсивности сноса потока вверх и вниз, а также концевых вихрей крыла.

Побочным эффектом создания аэродинамической поверхностью подъёмной силы является индуктивное сопротивление: крыло или несущий винт поднимают летательный аппарат, просто ускоряя движения воздушной массы вниз. Конечно, существенную роль играет и область пониженного давления над аэро­динамической поверхностью, но это только один из факторов, создающих направленное вниз толкающее воздействие на воздушную массу. Чем больше нисходящий снос потока, тем сильнее крыло толкает воздушную массу вниз. На высоких углах атаки индуктивное сопротивление существенно возрастает, а поскольку в реальном полёте рост угла атаки обычно сопряжён со снижением воздушной скорости, можно сказать, что на низких скоростях индуктивное сопротивление является преобладающим. Однако снижение интенсивности концевых вихрей крыла вследствие эффекта влияния земли изменяет распределение подъёмной силы по размаху крыла, уменьшая УА и индуктивное сопротивление. Поэтому для сохранения неизменного С_у в условиях эффекта влияния земли крылу необходим меньший УА. Если УА сохраняется постоянным, это приводит к увеличению С_у (рис. 4-14).

Эффект влияния земли влияет также и на величину силы тяги, необходимой для достижения определён­ной скорости. Поскольку при низких скоростях индуктивное сопротивление преобладает, на малой скорости снижение индуктивного сопротивления из-за эффекта влияния земли вызывает наиболее значительное снижение силы тяги, необходимой для преодоления паразитного и индуктивного сопротивления. Снижение интенсивности индуктивного потока из-за эффекта влияния земли приводит к существен­ному снижению индуктивного сопротивления, но практически не влияет на паразитное сопротивление.

В результате снижения индуктивного сопротивления при малых скоростях снижается и тяга. Изменение интенсивности сносов потока вниз и вверх, а также концевых вихрей крыла из-за эффекта влияния земли может привести к увеличению аэродинамической (позиционной) ошибки. В большинстве случаев, влияние земли вызывает повышение показаний приёмника статического давления и снижение приборных показаний воздушной скорости и высоты полёта. Таким образом, вблизи земли допустимы меньшие значения приборной скорости, чем это обычно необходимо.

Для того, чтобы влияние земли было достаточно значительным, крыло должно находиться в непосред­ственной близости к земной поверхности. Одним из прямых следствий эффекта влияния земли является изменение индуктивного сопротивления при изменении расстояния от крыла до земли и постоянном Су. Когда высота крыла над землёй равна его размаху, индуктивное сопротивление снижается всего на 1,4%.Однако, когда крыло находится на высоте, в четыре раза меньшей его размаха, индуктивное сопротивление снижается на 23,5%, а когда высота в десять раз меньше размаха крыла — на 47,6%. Другими словами, значительное снижение индуктивного сопротивления происходит только тогда, когда крыло расположено очень близко к земле. Поэтому эффект влияния земли обычно учитывается при отрыве от земной поверхности (во время взлёта) или при касании с нею (во время посадки).

Во время фазы отрыва эффект влияния земли приводит к нескольким важным следствиям. ЛА, выходя­щий из зоны влияния земли (после взлёта), испытывает воздействия, обратные тем, которые испытывает при входе в эту зону (во время приземления). Так, выходящий из зоны влияния земли ЛА:

- нуждается в увеличенном УА для сохранения по­стоянного С;

- испытывает повышение индуктивного сопротивления и нуждается в увеличенной тяге;

- испытывает снижение устойчивости и кабрирующие изменения крутящего момента;

- испытывает снижение показаний приёмника статического давления и увеличение приборной скорости.

Эффект влияния земли должен учитываться при взлёте и посадке. К примеру, если пилот не понимает, как влияние земли меняет поведение ЛА, рекомендованная скорость отрыва может не быть достигнута, что очень опасно. Благодаря снижению сопротивления может показаться, что ЛА способен оторваться от земли раньше, чем будет достигнута рекомендованная скорость. Если ЛА выходит из зоны влияния земли с недостаточной скоростью, увеличение индуктивного сопротивления может привести к тому, что параметры набора высоты окажутся неудовлетворительными. В чрезвычайных условиях, таких, как высокий полётный вес, значительная высота по плотности и высокая температура, воздушная скорость может позволить ЛА подняться в воздух, но окажется неспособной под­держивать полёт вне зоны влияния земли. В этом слу­чае, едва оторвавшись от земли, ЛА может опять опу­ститься на ВПП. Пилот не должен пытаться заставить ЛА подняться в воздух при недостаточной скорости. Для обеспечения приемлемых начальных параметров набора высоты необходимо достигнуть скорости отрыва, рекомендо­ванной производителем ЛА. Также очень важно, чтобы шасси и закрылки убирались только после достиже­ния стабильного набора высоты. Никогда не убирайте шасси и закрылки раньше, чем будет достигнута поло­жительная скорость набора высоты, и только после до­стижения безопасной скорости.

Если во время фазы посадки ЛА входит в зону влияния земли с постоянным УА, он испытывает увеличение Су и снижение необходимого уровня тяги, что может вы­звать эффект «неустойчивости». Из-за снижения лобо­вого сопротивления и падения скорости в зоне влияния земли период «неустойчивости» бывает весьма продол­жительным. По мере приближения ЛА к точке касания с землёй, эффект влияния земли начинает оказывать на него существенное влияние, в наибольшей степени проявляясь на высотах, меньших, чем размах крыла. Во время последней фазы полёта (непосредственно перед посадкой) необходимо снизить мощность двигателя; в противном случае избыточная тяга не позволит ЛА опуститься на уровень желаемой глиссады.